CN102164438A

CN102164438A - 一种生物生长补光控制方法和系统

Info

Publication number: CN102164438A
Application number: CN2011100431687A
Authority: CN
Inventors: 尚雪峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2011-08-24

Abstract

本发明是一种生物生长补光控制方法和系统，发明涉及照明技术领域、植物栽培和动物饲养领域。系统包括：可调光光源部分、高度调节部分、智能控制部分、特征参数表下载部分四个实体部分和一个生物生长光特征参数表，设备能够按照随时下载的特征参数表自动运行。利用本发明，生物科研人员能够独立研究生物千变万化的补光；设备厂家能够批量研发、制造和销售通用化设备；运行时，设备按照下载的研究数据自动运行。本发明提高了生物生长补光的科学性、经济性和可推广性。

Description

一种生物生长补光控制方法和系统

技术领域

本发明涉及照明技术领域、植物栽培和动物饲养领域。

背景技术

光对生物具有促进生长发育的作用。不同的生物对光的需求不同，同一个生物体在生长的不同阶段对光的需求也不同，不同阶段对不同波长的光有不同的变化要求，如红光能促进甘薯的生长，但却抑制葡萄的生长；在鸭子出栏期给予16小时综合光照能改善肉质。

00107943.3描述了为植物生长而设计的特定光谱波长的植物灯，植物灯由特定波长红、蓝组成按照一定设计组成。该专利要求的是照明部分的光电组成。

200720171735.6描述了由导热板、基座、风扇和电源构成的LED植物灯。该专利要求的是灯的构造和组成。

200810110494.3描述了一种太阳能驱动的植物生长灯，包括太阳能电池组件、蓄电池、充放电控制电路、LED光源板。该装置由太阳能光伏发电系统蓄积的直流电驱动。

这些专利解决的是可调光光源设计问题，没有解决如何控制的问题。例如，设备何种方式自动运行，自动运行的参数是什么，参数如何获取。这样的植物生长灯虽然能够发出特定波长的光，但它功能过于简单，远远不能满足不同的生物和生物体的不同阶级对光的千变万化需求。

94235873.2描述了模拟日照的照明设备，它由单片机、控制电路和UPS电源构成，软件具有万年历功能实现对日照的模拟。生物对光的需求不等于自然太阳光，有其自身的特点，补光的目的就是更高效率的补充自然光所欠缺的光特性，如，研究表明在麻类植物的收获期若采用8小时照明和10小时黑暗的增强补红光方式能催进高产，这种增强补红光和8:10的光周期自然界是不可能出现的，其设备也无法实现。

200910258258.0描述了一种用LED可调光进行微藻培养实验用的装置及其用该装置培养微藻的方法。在装置的箱体内部上半部有各色LED发光组件，下半部分由日光组件。LED与单片机连接，采用PWM控制多LED发光采用手动和自动控制。该装置适用于微藻培养，设备不通用。

补光设备只有批量研发、制造和销售才能发挥规模效应，而补光需求确实千变万化，这之间的矛盾是目前所有的设计都无法解决的。手工方式操作虽然可以根据应用实现粗略补光需求，但这要求每个设备使用者了解生物补光特征。同时，生物科研人员的生物补光特征研究结果无法被推广应用。另外，目前设计也没有解决生物生长高度变化直接影响生物补光效果的问题。

发明内容

本发明是一种生物生长补光控制方法和系统。本发明是从生物生长对补光的需求角度设计照明设备，为了实现设备通用化，将补光设备和光的需求描述分离：生物生长光特征参数表归纳和抽象了千差万别的生物补光，生物科研人员根据特定生物特点独立于设备编制参数表，用户将特征参数表下载到补光设备中即可自动输出定义的光。

系统组成

如图1所示，本发明包括可调光光源部分、高度调节部分、智能控制部分、特征参数表下载部分四个实体部分和一个生物生长光特征参数表。

1.可调光光源部分。

这部分由LED灯芯模块，调光电源组成。相同波长的LED灯芯组成模块，由支持调光的电源独立供电和调光控制。不同波长的LED灯芯模块物理放置位置上相互混合达到配光均匀的目的。调光电源根据智能控制部分的调光信号控制LED灯芯模块。

2.高度调节部分。

这部分是一个可升降的高度调节装置，它是为了满足随着植物和动物的生长而提供设备中LED灯芯模块的高度。它根据智能控制部分的高度信号控制设备的高度。设备安装时的起始高度通过人机接口输入设备。

3.智能控制部分

这部分物理实体是中央处理单元和存储单元。逻辑上分为统计照明时间模块和生物生长光特征参数表执行模块。照明时间模块能够精准的统计出照明设备照明运行时间，并存储在存储单元中。生物生长光特征参数表执行模块能够根据生物生长光特征参数表控制可调光光源部分和高度调节部分。

4.特征参数表下载部分

这部分建立在通信部件的基础上，通过通信部件将生物生长光特征参数表全部或一部分传递给智能控制部分。设备对通信部件没有要求。例如，独立运行的设备可以通过232通信端口将参数表下载到存储单元中。又例如，组网运行的设备可以通过无线通信端口实时将参数表下载到存储单元中。

5.生物生长光特征参数表

生物生长光特征参数表是一个数据结构，它将各种有意义的数据组织在一张表中，这张表就是对千差万别的生物光需求归纳与抽象。正式基于这张表的定义，才实现了生物生长补光需求的研究、补光设备研发和生产、种植和养殖操作三部分工作分离：

生物生长光特征参数表

生物生长光特征参数包括：阶段、波长、生长速度、生长周期、每周期定义。

阶段是个没有实际意义的名称，在此处定义是为了描述清晰，在实际表中可以不出现。它将生物生长的不同时期分开。如植物：发牙阶段、生长阶段、开花阶段和结果阶段；再如动物：幼年期、生长期、催肥期、屠宰期。

波长是个没有实际意义的名称，在此处定义是为了描述清晰，在实际表中可以不出现。LED灯芯模块是由一定波长的LED灯芯组成，波长的具体值已经体现在设备上了。

生长速度定义的是生物的长高速度，它是为了满足随着植物和动物的生长而改变设备中LED灯芯模块的高度和计算输出光通量。设备生产厂商可以自己定义单位。

生长周期定义的是某个阶段需要多少个光照周期循环。如：发牙阶段需要20个周期、生长阶段100个周期。

每周期参数描述了单位光照周期内的光照度曲线，包括周期时长、最大照度、最小照度、最大照度时长和最小照度时长。

照度定义的是波长为L1的光照射到生物表面单位面积上的光通量，这是完全基于生物的对光的需求定义。照度分为最大照度和最小照度。智能控制部分自动基于照度计算和控制设备输出光通量。

周期时长定义的是单位光照周期总的时间长度，周期时长、最大照度时长和最小照度时长描述出一个广义等边梯形和梯形底的延长线，梯形的腰的角度由三个时长算出。如：麻的开花期每个光照周期时间长度为18小时，最大照度时长8小时，最小照度时长10小时，则这个梯形上边长为8，下边长为8，底边延长线长为10。设备生产厂商可以自己定义时长单位。单位光照周期内的光照度曲线和实际设备光通量曲线从形状上相同，如图2所示，周期时长为t1到t5；最大照度时长为t2到t3；最小照度时长为t4到t5。

异常断电处理

设备正常情况应该连续供电以保证生物生长的连续性。

设备统计照明时间模块本身能够统计并在存储单元中存储已运行的照明时间，统计精度满足要求。当设备被异常断电后再加电，统计照明时间模块从存储单元中读出已运行的照明时间，生物生长光特征参数表执行模块根据统计的已运行的时间恢复到生物生长光特征参数表的当前运行项目继续运行。

设备运行步骤

计算公式如下：

设备高度＝设备起始高度+(生长速度×生长周期×周期时长)。

输出光通量＝4×照度×(设备出光口总长+2×当前高度×tan(θ))×(设备出光口总宽+2×当前高度×tan(θ))，θ为最大照射角度。

1.设备加电初始化。

2.检测生物生长光特征参数表是否更新，若更新，则统计照明时间模块将已运行时间值清零。

3.统计照明时间模块从存储单元中读出已运行时间，生物生长光特征参数表执行模块计算当前的阶段。

4.读出生物生长光特征参数表当前阶段的参数值。

5.生物生长光特征参数表执行模块根据设备高度公式计算和调整设备高度。

6.生物生长光特征参数表执行模块根据各波长项参数值和输出光通量公式计算各波长光通量并控制调光电源。

7.统计照明时间模块更新运行时间。

8.总运行时间是否达到当前阶段要求的总时间，若达到执行4，若未达到执行6

本发明的优点

本发明所描述的生物生长补光设备是通用设备，可以单独研发、批量制造和独立销售；同时本发明的生物生长光特征参数表使用户能够从生物生长角度抽象描述特定的动植物补光需要；两者的结合最终实现了通用设备对特定生物特殊补光。本发明使生物生长补光设备能够大批量规模生产，从而降低生物生长补光设备的成本；同时科研人员独立研究特定生物对补光的需求，提高生物生长补光的科学性；另外，设备能够按照研究数据自动运行，提高了生物生长补光的可推广性。

附图说明

图1是生物生长补光系统组成图

图2是每周期光通量曲线

具体实施方式

可调光光源部分包括三个LED灯芯模板和三个调光电源，它们一对一连接。灯芯模块采用的是CREE LED灯芯，波长分别是650m、520nm、450nm。调光电源采用的是支持PWM调光的直流驱动芯片PT4207。调光电源根据PWM信号占空比调整输出电流，进而调整每个波长的输出光通量。

高度调节部分通过电机和钢丝绳索拉高和降低可调光光源。电机是由智能控制部分控制，同时也支持手工升降操作。

智能控制部分中中央处理单元采用MC80F7708，存储器采用24LC16外置Flash，照明时间统计采用的是“不稳定环境下照明设备统计照明时间的方法”，和生物生长光特征参数表执行模块采用的是传统的数据结构和算法完成生物生长光特征参数表执行，最终按照表中参数输出电源驱动PWM信号和电机驱动PWM信号。

特征参数表下载部分采用的是串口通信。中央处理单元MC80F7708支持232通信，经过串口驱动后它能够与PC机直接通信来下载特征参数表。为了方便用户操作，设备厂提供了一套PC机上运行的软件，它通过下拉菜单和数据框完成特征参数表录入。

某生物研究所用于亚麻生物生长补光研究案例。研究室购买了设备和PC软件。他们对每个实验对比方案填写了不同生物生长光特征参数表，并自己通过PC机下载特征参数表。当需要调整实验方案时，他们更新特征参数表，重新下载。

某水族箱生产厂购买设备用于水族箱补光，由于设备安装后特征参数表不再更改，所以他们给出特征参数表具体值，委托设备生产商下载特征参数表。

Claims

1.一种生物生长补光控制方法和系统，包括可调光光源部分、高度调节部分、智能控制部分、特征参数表下载部分四个实体部分和一个生物生长光特征参数表，其特征在于，

所述的生物生长光特征参数表抽象地描述出所有生物光照度曲线和生物生长速度；

所述的智能控制部分按生物生长光特征参数表要求和设备参数自动计算输出光通量，并控制可调光光源部分和高度调节部分，实现补光；

所述的智能控制部分和生物生长光特征参数表具体值无关，生物生长光特征参数表可任意更新，实现了设备的通用化和补光需求特殊化分离。

2.如权利1所述的设备，其特征在于，随着生物的高度变化而调整自身高度和输出光通量。

3.如权利1所述的设备，其特征在于，智能控制部分由统计照明时间模块和生物生长光特征参数表执行模块组成。

4.如权利1所述的设备，其特征在于，设备断电再加电后能够根据统计的照明运行时间恢复到运行的阶段并继续运行。

5.如权利1所述设备，其特征在于，加电后按如下步骤运行：

1)设备加电初始化

2)检测生物生长光特征参数表是否更新，若更新，则统计照明时间模块将已运行时间值清零

3)统计照明时间模块从存储单元中读出已运行时间，生物生长光特征参数表执行模块计算当前的阶段

4)读出生物生长光特征参数表当前阶段的参数值

5)生物生长光特征参数表执行模块根据设备高度公式计算和调整设备高度

6)生物生长光特征参数表执行模块根据各波长项参数值和输出光通量公式计算各波长光通量并控制调光电源

7)统计照明时间模块更新运行时间

8)总运行时间是否达到当前阶段要求的总时间，若达到执行4，若未达到执行6。

6.一种描述生物生长光特征的参数表，特征在于，包括各个阶段的生长速度、生长周期、每个所需波长的在每个周期内的定义。

7.一种描述波长周期的方法，其特征在于描述出每个所需波长在每个周期内的：周期时长、最大照度、最小照度、最小照度上升到最大照度的斜率和时长、最大照度时长、最大照度下降到最小照度的斜率和时长、最小照度时长；其形状是广义等边梯形和梯形底的延长线。